- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
- 6
關于小型橋式傳感器的研究和分析
關于小型橋式傳感器的研究和分析
【摘 要】 本文針對目前衡器市場上出現的小型橋式傳感器，重點分析該類傳感器在市場應
用過程中的特性和出現的問題，并根據這些問題對常規橋式傳感器和小型橋式傳感器通過有限元I-DEAS進行有效的模擬仿真和詳細比較，從而驗證小型橋式傳感器和常規橋式傳感器之間在使用過程中出現的差異，進一步從實踐和理論分析相結合的角度為傳感器在安裝過程中提出一些積極的應用意見和建議。
一、引言
目前國內對雙剪梁型稱重傳感器的研究已經很多，參考文獻1中講述了彈性體的應變與外加載荷有較好的線性，彈性體的結構參數、載荷等各種因素對貼片區應變的影響。參考文獻2中詳細闡述了貼片區應力、應變對整個彈性體性能的影響。參考文獻3中作者重點論述了雙剪梁型稱重傳感器滯后誤差產生的原因，提出減小或消除稱重傳感器的接觸滯后誤差的方法。可見，關于雙剪梁式稱重傳感器的研究資料已經很多，各生產廠家也是不勝枚舉，常規橋式傳感器已經普及化，通過精細化控制達到最高的性價比是市場競爭之重點。在這種情況下，橋式傳感器的競爭就是成本和服務的競爭，最終衡器市場上出現了不斷縮小體積尺寸的小型橋式傳感器。本文重點介紹目前市場上各種小型橋式傳感器的使用情況，并對存在的問題進行深入分析，給出一些應用或選型的參考性建議。
二、小型橋式傳感器在市場上的應用情況
目前衡器市場上小型橋式傳感器大致分幾種：小型橋式傳感器A采用一體式彈性體結構，螺桿從上部連接底板和彈性體；小型橋式傳感器B采用一體式結構，螺桿從下部連接底板和彈性體。小型橋式傳感器C采用鉸支結構，通過螺桿從上部和支撐輥連接底板和彈性體。無論哪類小型橋式傳感器都是為了降低成本而采取的彈性體小型化設計，去除了所謂的強度冗余結構，從而減小了產品體積，降低了鋼材消耗成本。下面是相同量程的幾種小型橋式傳感器外形尺寸與常規橋式傳感器外形尺寸的比較。
小型橋式傳感器和常規橋式傳感器主要尺寸比較種類
彈性體外形（長×寬×高）(mm)
貼片孔距(mm)
常規橋式傳感器
240×52×56
80
小型橋式傳感器A
160×76×52
70
小型橋式傳感器B
160×85×56
68
小型橋式傳感器C
190×52×48
75
目前上表中的小型橋式傳感器生產廠家已有好幾家，市場上使用小型橋式傳感器的衡器廠家雖然不是很多，但也有一部分試用客戶，根據這些客戶收集的意見大致有幾種情況：小型橋式傳感器用在大量程（60t以上）承載器（以下簡稱秤臺）上會出現線性不佳；重車過磅后出現負數，不回零；秤臺偏載誤差和段差較大；四角誤差也不好調整。下面以這些小型橋式傳感器為例進行研究分析。
三、重車上秤發生撓度變化后，秤臺及安裝對傳感器的影響
汽車衡秤臺的剛度要求：[f]=1/800，1/1000，1/1200，剛度太低會影響衡器的回零、蠕變性能表現不良，在這樣的剛度下，秤臺形變的傾角一般不會超過1°。因此，秤臺在其剛度足夠的情況下，肯定不會出現較大的彎曲變形問題，也不會引起鋼球“爬坡”的現象。但是，當秤臺剛度不足時就會出現傳感器受力方向不垂直于傳感器本身，如圖1 所示，當秤臺剛度足夠時，重車上秤時，其發生的彎曲變形可以忽略不計，力值F的方向近似為豎直向下；秤臺剛度不足時，重車上秤后秤臺發生較大的彎曲變形，其偏轉角度為大約5°（圖1右）。
秤臺剛度影響載荷方向 即使秤臺剛度足夠時，如果由于安裝位置對位偏差較大也有可能造成載荷方向偏轉，表示秤臺在剛度足夠的情況下而且安裝對位準確時，載荷方向豎直向下，但是如果安裝位置水平偏移了4.47mm時，鋼球中心就不可能位于傳感器球窩中心位置，此時傳感器載荷方向也同樣偏轉5°。因此，不管是秤臺的剛度不足或者傳感器安裝位置對位偏移都有可能造成傳感器載荷方向發生改變。
假設傳感器受到的實際載荷為F1，則
根據合力和分力的關系式： F1 = FCOS(5°) （1）
實際誤差： △F = F- F1 （2）
1、當秤臺剛度不足時，重車下秤后，秤臺不能完全馬上復位，如圖1右所示，秤臺自重不能完全作用于傳感器之上，因此，會出現下秤后的重量小于上秤前的重量，由于剛開始標定的重車上秤前的重量為0，故重車下秤后，重量為負值，即出現了負零點不回零現象。
2、當安裝位置偏移量較大時，初始位置時傳感器受力就是分力F1，重車上秤后，鋼球偏移方向的不同，其下秤后儀表示值可能為正也可能為負，也同樣出現了不回零的情況。
四、用有限元I-DEAS對小型橋式傳感器和常規橋式傳感器進行分析比較1、當載荷方向偏轉
本文選取外形尺寸為160mm×85mm×56mm，中心距大約68mm的小型橋式傳感器為例進行分析比較，為了簡化模擬計算，模擬定義材料為理想材料，各接觸面均為固定連接。單元劃分為程序自由劃分，為了節約計算時間并提高運算精度，僅將貼片區進行二次細化。這樣最終得到的單元數
為46774，單元劃分：
小型橋式傳感器網格劃分
由于單節點受力過于集中，效果不易觀察，因此假設整個彈性體球窩表面均布壓力。
球冠面積公式： 2Srπ= （3）
式中：r——球冠半徑，h——球冠的高
這里，， 61rm=5hmm=
由公式（3）可以得到： 21915.4Sm=
再假設傳感器量程為30t
故，均布壓力： 156.6PM=
因此，球窩內施加的受力為156.6MPa。
表示載荷方向豎直向下和與豎直方向偏角為5°的受力情況，在傳感器底面完全
固支狀態下，通過I-DEAS 對這兩種情況下的傳感器分別進行仿真模擬，其結果
模擬結果顯示，當受力156.55MPa時，正常情況下最大應力為664.85MPa，而載荷方向偏轉
5°后，最大應力達到了767.64MPa，而貼片區內的應力變化見表2，選取10個節點應力并求取平均值。
利用同樣方法對常規橋式傳感器進行仿真模擬（本文對仿真過程不再重復），通過表2、表3數據對比，可以明顯看出，當載荷方向按圖示偏轉5°時，載荷對小型橋式傳感
器左貼片孔的影響較大，應力值增加38.81MPa，而對右貼片孔的影響較小，僅減小6.23MPa，而且左右貼片孔應力值之和增加了32.58MPa；而對常規橋式傳感器的應變區的影響，左貼片孔應力增加17.68MPa，右貼片孔應力減小16.86，而左右貼片孔應力值之和僅增加了0.82MPa。因此，載荷方向偏轉對小體積的小型橋式傳感器的影響相對常規橋式傳感器來說較為敏感，而且應力梯度較大。其他類型結構的小型橋式傳感器，經理論分析，具有同樣的近似結果，在此不再一一分析。
五、實際組秤驗證分析
為了驗證我們理論分析的可信度，我們選取結構為四節臺面80t的汽車衡一臺，分別準備上述小型橋式傳感器和常規橋式傳感器進行試驗，在相同秤臺、相同載荷和調試條件下，秤臺滿量程為80t，分度值設10kg，秤臺兩頭的前后縱向、左右側向限位距離調整在5mm以內，調整傳感器垂直安裝使受力良好。利用測試車輛為52t左右鋼材重車，重車以不超過5公里/小時的速度沿同一個方
向上秤。實際獲得的數據記錄比較如下：
1、選擇小型橋式傳感器10只，按上述要求安裝調試就位
2、選擇常規橋式傳感器10只，按上述要求安裝調試就位
上述實踐驗證的結論基本與理論分析的結論相吻合，在同樣安裝和調試條件下，同一稱重車輛在前中后三處表現出的示值誤差不同。因為試驗車輛屬于半掛車，鋼材重量比較容易集中作用在其中一節臺面上，在同樣載荷導致秤臺發生撓度的情況下，小型橋式傳感器表現出的段差明顯大于常規橋式傳感器，由此基本可以證明我們理論分析的可信度。
六、總結
根據以上分析，盡管小型橋式傳感器有一定的成本優勢，但由于小型橋式傳感器體積小，貼片孔間距較小，一旦秤臺撓度過大或者安裝位置對位偏差稍大時，都會造成傳感器受力方向發生偏轉。而且在相同的偏角下，小型橋式傳感器的貼片區應力值變化要敏感于常規橋式傳感器，從而帶來比較大的誤差。建議選擇小型橋式傳感器時，一定要考慮秤臺本身的剛度條件適合性，如果用戶不能判斷秤臺剛度是否滿足時，最好通過組秤利用盡量接近滿秤量的重車做實際驗證。另外，對傳感器的安裝對位準確性也要比常規橋式傳感器的安裝更加仔細嚴格，同樣也要考慮大量程秤臺在重車上秤后，使秤臺發生較大變形情況下的影響情況分析，而且需要日常及時將限位裝置調整到合適的限位距離，防止日后車輛沖擊導致秤臺偏位后出現應用時不回零或不準確等問題。
總之，相比縮小體積尺寸的小型橋式傳感器對汽車衡的秤臺剛度和安裝、限位等都提出了很高的要求，希望大家選擇時盡量考慮這些實際因素，以避免實際稱量的不準確或不回零等問題。
